3吨叉车转向系统设计说明书

1 3 吨叉车转向系统设计说明书 第一章 叉车概述 叉车 工业搬运车辆，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。国际标准化组织 为工业车辆。 适用范围： 工业搬运车辆广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸、搬运作业。是托盘运输、集装箱运输必不可少的设备。 叉车在企业的 物流系统 中扮演着非常重要的角色，是 物料搬运 设备中的主力军。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。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 20 世纪 50 年代初开始制造叉车。特别是随着中国 经济 的快速发展，大部分企业的物料搬运已经脱离了原始的人工搬运，取而代之的是以叉车为主的机械化搬运。因此，在过去的几年中，中国叉车市场的需求量每年都以两位数的速度增长。 液压式动力转向系统 向液压泵、转向油管、转向油罐 以及位于整体式转向器内部的转向控制阀及转向动力缸等。当驾驶员转动转向盘时，通过机械转向器使转向横拉杆移动，并带动转向节臂，使转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。与此同时，转向 器输入轴还带动转向器内部的转向控制阀转动，使转向动力缸产生液压作用力，帮助驾驶员转向操作。由于有转向加力装置的作用，驾驶员只需比采用机械转向系统时小得多的转向力矩，就能使转向轮偏转。 优缺点：能耗较高 ,尤其时低速转弯的时候，觉得方向比较沉，发 2 动机也比较费力气。又由于液压泵的压力很大，也比较容易损害助力系统 第二章 叉车转向系统设计 计任务和确定叉车的基本参数 ： 3吨叉车转向系统，要求为动力转向。 （ 1）叉车起重量： 重量为 Q=3 （ 2） 按标准查得 1下的叉车为 500 C=500 （ 3） 按常规去 3000 （ 4） H=200 （ 5） 前倾角为 6 ，后倾角为 12 ； （ 6） 0km/h； （ 7）最大爬破度 20%； （ 8）最大起升速度为 r=300mm/s； （ 9）最小外侧转弯半径： 根据起重量， 3t 叉车的375 （ 10） . 最小离地间隙： 100 更据其相关叉车选取得轴距 L=1780 主销间距为： M=825 C=200 3 动性能的计算： 型 ： (1)转向系统决定了叉车的机动性能，过去叉车多采用交叉式双梯形转向机构，现在大部分 叉车采用曲柄滑块式横置油缸式转向机构。 (2)操纵方式 大吨位叉车采用助力或全液压式转向操作方式，中小吨位的叉车可采用机械式转向操纵方式，但由于叉车的转弯半径小，转向操作的幅度和强度大，作业过程中操作频繁，为了方便操作，提高转向系统的灵敏性，降低司机的劳动强度，随着曲柄滑块式横置油缸转向桥的普及，现在越来越多的中小吨位叉车业采用全液压式转向操作系统了。 大内轮转角： (1)最小转弯半径 衡量和评价叉车的机动性能 (通过性能 )的指标有最小转弯半径，最小直角通道宽度，最小堆垛通道宽度，其中最直观 的就是最小转弯半径； m i n / s i n m a x 外 4 外侧转向车轮最大偏转角度； 内侧转向车轮最大偏转角度； 可见减小轴距，增大外侧转向车轮的偏转角度，合理的设计车体的形状，能够减小叉车的转弯半径，提高机动性能。 (2)根据最小外侧转弯半径的要求，可以反推出对于最大外轮转角的要 求： s i n m a x L / R m i n C 外 （ - ） 通常在 50度到 60度之间。 已知： L=1780M=825mm；375C=200mm s i n m a x L / R m i n C 外 （ - ） s i n m a x 外 =1780/ （ 2375= = 在 50度到 60度之间，符合要求。 (3) 根据转向行驶过程中把保持车轮纯滚动的条件， c t g m a x c t g m a x = M / L外 内 可求出： 1m a x = t g t g m a x / ( 1 - M / L t a n m a x 内 外 外 ）， 一般为 70度到 80度，以此作为选择或设计转向机构的依据。 1m a x = t g t g m a x / ( 1 - M / L t a n m a x 内 外 外 ） =（ 1780 = 在范围内。 (1) 要求手力小于 100N。 5 (2) 要求方向盘单侧回转圈数 n=3 转向系统的整体选择及其设计计算： 向系统： 根据现在的形势，采用全液压式转向系统，转向机构为曲柄滑块式。 这是一种新型转向机构，自上世纪以来八十年代初在国内备采用，又称横置油缸式转向机构，由于其转向机构性能优良，转向桥结构紧凑，等特 点，近年来叉车行业得到广泛的应用，这种转向机构很适用于叉车。 其特点又以下： （ 1）油缸横置 ,机构紧凑，各件较少，转向桥独立，油缸只通过软管于液压系统连接，布置方便，不会发生纵置油缸那种由于转向桥摆动和差动活塞杆细而使活塞杆头部容易断裂，主销没有倾角。 （ 2）机构参数少，只有 4各独立参数； （ 3）机构特性好，转角误差小， 1左右，有利于间隙转向阻力，减轻轮胎磨损，传动角大，可以达到 30 度，机构力学性能好，容易达到较大内轮转角可以达到 80 度以上，有利于减小车窗最小转弯半径，若维持原来转弯半径不变，则有可 能增大轴距，方便调整布置，提高行驶性能。 （ 4）左右转向一致，油缸两边出活塞杆，没有差动现象，左右转向灵敏，完全相同。 （ 5）油缸结构特殊，双作用双活塞杆，由于受横向力作用，活塞杆应比较粗，油缸安装应比较牢固，可以通过调整油缸偏距来调整机构性能。 布置形式如下图： 6 （一）理论分析 （ 1）双轴线转向角的理论关系式： c t g m a x c t g m a x = M / L外 内 （ 2）轴线转向曲线 （二）曲柄滑块机构设计： （ 1）设计参数： 转向节臂长； 转向节臂初始角； D 基距； E 油缸偏距； 参数的一般范围 转向节臂长 取 应的油缸行程也大，可能布置不下，无法实现， 则机构受力大，相应的油缸受力大，而行程太富裕。 7 转向节臂初始角 能在 90度左右， 大，则机构特性越好，有时会取到 92度，基距变大，要根据和轮辋是否干涉来决定，该参数先确定。 基距 D,该参数对于机构特性不敏感，约等于转向节臂长，他也和油缸的行程有关。 油缸偏距 E，该参 数对于机构特性十分名，取值大约为转向节臂的一半左右，应进行精确调整，以便获得最佳机构特性。 （ 2）优化设计经验公式 取 ， e=E/D，使参数无量纲化 (a)优化设计，转角误差，传动角，力传动比等为目标函数和约束条件，在不同的 。 (b)经验公式，整理优化结果，把最优的 e 表达成 M/L 的二次函数，成为优化设计经验公式： 221 2 0 3 ( / ) 4 ( 0 ) 5 ( / ) 6 ( / )e C C a C M L C a C M L C M L 1 1 2 0 3 ( / ) 4 ( 0 ) 5 ( / ) 6 ( / )r G G a G M L G a G M L G M L 表优化设计经验公式的 系数： 下标 1 2 3 4 5 6 C 算结果为： 221 2 0 3 ( / ) 4 ( 0 ) 5 ( / ) 6 ( / )e C C a C M L C a C M L C M L =M/L） ( 0)a M/L） ( / )21 1 2 0 3 ( / ) 4 ( 0 ) 5 ( / ) 6 ( / )r G G a G M L G a G M L G M L =M/L） ( 0)a M/L） ( / )8 =此可的：先取 D=100， R1=D 110E=D e 603)实际尺寸： 机构的特性看实际尺寸可大可小，应为机构是相似的。 受力的角度，机构的尺寸越大越好； c。油缸行程：油缸夹在当中，机构尺寸过大会造成行程不够；因此在油缸的行程够用的前提下，机构尽量大一些。 (4)其它 用关节轴承， 横向力作用，需要加粗活塞杆，加长导向套，采用青铜或耐磨材料。 用内卡键式或螺纹式 计算油缸行程： 当转向节臂如下图转至最右时，其夹角如图可计算得 , 其转 向极限，夹角为 a=9 0 5 4 . 8 9 3 5 . 1 1 可知连杆中心距为 L= 22( 1 )R e D= 22(1 1 0 6 0 ) 1 0 0=112据三角形的直角公式可求出此时的行程 9 转向节臂中心的水平距离 1 其垂直高度为： 1 得其离油缸中心为 可求求出其油缸行程为： S=- 222=101油 缸行程至少为 101m，取其行程为 100 应为其内外轮转角在同一各圆心故其计算行程一样， 现在用行程校核内外轮转角 当油缸行驶到极限时，其如上图，计算其内轮转角， 可知其逆运算得其转角为 = 2 2 2R 1 e L 1a r c c o 1 e= 计算结果为 ，相差不多 故油缸行程足够。 （ 1）转向行驶的阻力距： 只要所 有车轮绕同一瞬心转动，就可保证所有车轮作纯滚动。这是以轮胎仅一点接触地为条件的，因为轮胎有一定的宽度，它与地面的接触为一面积。当车轮一转弯半径 胎各触地点应有不同的线速度，但各触地点却有共同的角速度，故轮胎两侧，在相对与地面滚动的同时，还有相对滑动。在下图中，两侧轮胎相对于 滑动速度方向相反，故引起地面对车轮的不同方向的附加阻力 F，这是一对力偶，其矩即转向阻力矩。 设叉车的转弯时以角速度 绕瞬心 轮以速度 轮滚动时，路 面受到压力，轮胎与地面间产生相对滑动，因而使相对速度为零的点偏移了距离 e，由原来的 点，这时车轮上 E、 () e a e ev v v R 滑转率，即因滑动引起速度降低的系数 由以上两式可的滑转率与偏移距的关系如下 10 1 这时，轮胎各点相对于地面的滑动速度分布为梯形 地面的切向力与滑移距离成正比，则地面反力的合力2样，该车轮的转向阻力距为： R a式中： 车轮驱动力； a 梯形面积中心至轮胎纵向对称面的距离。 令梯形中线长度为 l，则两底边长分别为（ e+（ ，则得 212ba e， 式代入上式得 ： 2112由此可得转向行驶时的阻力转矩： 2112121 ()2 1 21 ()2 1 2内 轮外 轮驱动轮纵的阻力转矩12 T在式中，1 0 2 00 . 5 , 0 . 5R R B R R B ， 从动轮在转向行驶时的阻力转矩： 22 112 f b式中： R 转向桥铰轴处的转弯半径 （ 2）原地转向时的阻力转矩 叉车作业时，常需原地转向。原地转向阻力可达行驶转向阻力的 2了保证叉车在最不利的情况下转向，通常以原地转向阻力转矩作为转向系统的计算转矩。 车轮原地偏转运动包括车路绕主销的滚动和车轮绕轮胎与地面接触中心的转动。因此，原地转向阻力转矩包括：车轮绕主销滚动时的滚动阻力转矩；车轮 11 与地面间的滑动摩擦阻力转矩；主销，转向杆系铰轴中的摩擦阻力转矩。其中以滑动摩擦阻力转矩为主。各铰轴的摩擦阻力转矩用效率考虑 1）车轮的滑动 摩擦阻力转矩： 车轮绕接触地面中心的摩擦阻力转矩，与轮胎的构造即接触地面积的形状、大小有关。对于充气轮胎，在所受车重力2触地面积如图所示。为了简化计算，假设接触地面积为以轮胎宽度 b 为直径的圆面积，并设想接触地面各压强相等。此时，单个轮胎的滑动摩擦阻力转矩 2 2 202 ( )23bi p r d r p 式中 2()21Z，故有 1 k 附着系数，可取 =k 当量半径， k =b/3; 12 1Z 单轮垂直载荷 已知： 1Z= =4500 =k =b/3=175/3=m 2）车轮的滚动阻力转矩： 由图可知，单个车轮滚动阻力转矩为： 21T Z 其中 f 为滚动阻力系数，良好的路面 f =e 为主销轴线接触地点与轮胎纵对称面间的距离。 可得： e=200=1T Z =m 3）车轮的总摩擦阻力转矩： 车轮的总摩擦阻力转矩为： 12T T T 13 由式可知， 2T在 T中占的比例愈大。 假定 与车轮滚动方向垂直，则车轮原地转向的阻力转矩可表示为： 221T Z e k 式中 为综合摩擦系数，见下图 是 e/线是试验取得的，是在 =e/下式进行校核 2 式中： D 缸筒外径 缸的额定压力 16P时，取16P取 缸筒材料的许用应力， 般取为 n=5，缸筒采用 45钢， =355 =355 5=71算结果为： 2 =80 2 71= =合格。 2）活塞杆直径 4式中： F 活塞杆上的许用应力。 活塞杆材料的许用应力， = / =355= 4 =d=50故所选的活塞杆直径合理。 3稳定性校核： 活塞杆受轴向压缩负载时，其值 会失稳，活塞杆稳 16 定性能按下式计算： n 式中： 安全系数，一般取 2 当活塞杆的细长比 /25/25=2590 故按下式计算稳定性； 221 ( )式中： l 安装长度，其值与安装方式有关， 活塞杆截面最小回转半径， 由液压缸决定的末端系数，查表 5=1； E 活塞杆材料弹性模量； E=1110 J 活塞杆截面惯性矩， J= 416d； A 活塞杆的横截面积 f 由材料强度决定的试验值，见表 5得 f=340 系数，具体数值见表 5 =1/7500； 代入公式计算结果得： 221 ( )=23 4 0 0 . 0 0 1 9 6 2 51 6 2 51 ( )7 5 0 0 1 2 5r =其稳定性良好 转向油缸转到极限位置所需油量为： V=l 22( ) / 4 l 为油缸行程， l=100 则： V=10022 ( 8 0 ) ( 5 0 ) / 4m m m m = 17 因为方向盘旋转圈数在 3选择液压转向器型号为 2、 3公称排量为 100m/r，最大入口压力为 16大连续背压为 n=V/100=合理。 液压转向器如下 图所示： 活塞杆与活塞一体。通过导向套来缓冲压力， 活塞杆密封采用 封性能好，摩擦系数小，安装空间小，广泛用于固定密码和运动密封。并在头部安装 缸盖采用内卡键连接。 转向桥内取装制动器，因此可忽略车轮受到的切向力，只考虑垂直力和因侧滑引起的横向力。转向桥可以按下面两种工况选取计算载荷。 1）最大垂直力工况： 空车运行通过不平路时引起的动载荷使垂直反力达到最大值。其值与道路不平度，轮胎弹性及行驶速度等有关 ，表达式为： 02m 式中：、 动载系数，可取 =18 02G 空载时转向桥的静负荷。 02G =1000 4255N 计算结果为： 02m =24255 2 =）最大侧向力工况 叉车空载转向行驶，在离心力的作用下，车轮处于临界侧滑状态，这时侧向力打最大值为： 式中 ： 侧滑附着系数，取 = 一个车轮上的垂直反力 . 计算结果为： =24255N 向桥的强度计算： 计算见图如下： 最大垂直力工况： 022zi 022zi =24255 2 =19 危险截面 -靠近中心铰轴，其最大弯矩为； m 中： B 轮距； 计算结果为： m 9752 =m (2)最大侧向力工况： 由于离心力作用，左、右车轮的垂直反力不在相等，在图中所示的侧滑方向，有 02021()21()2式中： h 空载时叉车的重心高度， h=590算结果为： 02021 1 5 9 0 0 . 8( ) 2 4 2 5 5 ( ) 2 3 8 6 9 . 4 0 7 62 2 9 7 51 1 5 9 0 0 . 8( ) 2 4 2 5 5 ( ) 3 8 5 . 5 9 22 2 9 7 5 N N 20 左右车轮的侧向反力： yi 计算结果为： yi 2 3 8 6 9 . 4 0 7 6 0 . 8N yr 3 8 5 2 0 危险截面在 处靠近主销，其弯矩为： zi x zr x L F L F r计算结果为： zi x y L F r 2 3 8 6 9 . 4 0 7 6 1 1 0 1 9 0 9 5 . 5 2 6 2 9 5N m m N 3 0 0 7 5 zr x y L F r3 8 5 . 5 9 2 1 1 0 3 0 8 . 4 7 3 6 2 9 5N m m N m m 1 3 3 4 2 2 M = 22( 3 0 0 7 5 . 5 4 ) ( 1 3 3 . 4 1 3 ) =m 以上两种工况，应分别计算有关断面的应力，取最大值进行强度校核。 最大垂直力工况下各截面应力 21 ： 截面 -： 其侧面图如上图所示 ： 根据公式计算其1 2 3 4 5y y y y y I I I I 31 20 205 12 =5410m 322 3 3 5 2 0 1 2 3 3 5 2 0 8 2 . 5 =5410m 33 20 205 12 =5410m 324 3 3 5 2 0 1 2 3 3 5 2 0 8 3 . 5 =5410m 35 1 6 1 6 5 1 2 540 8 1 0 m 可知 22 5410m + 5410m + 5410m +5410m + 540 8 1 0 m =5410m 其应力为： =m 5410m =选材料为 45钢，其许用应力为 355 截面在 其侧面图如下图所示 1 2 3y y y I I 31 1 6 1 6 5 1 2 540 8 1 0 m 322 8 0 2 0 1 2 8 0 2 0 8 2 . 5 23 =5410m 323 8 0 2 0 1 2 8 0 2 0 8 2 . 5 =5410m 1 2 3y y y I I =5410m +5410m +5410m =5410m 其应力为： =m 5410m =大侧向力工况下： 截面 -： 根据公式计算其1 2 3 4 5z z z z z I I I I 31 2 0 5 2 0 12+205 20 2155 24 =5410m 322 2 0 3 3 5 1 2 3 3 5 2 0 2 2 . 5 =5410m 33 205 20 12+205 20 2200 =5410m 324 2 0 3 3 5 1 2 3 3 5 2 0 2 2 . 5 =5410m 35 1 6 5 1 6 1 2 540 . 5 1 0 m 1 2 3 4 5z z z z z I I I I =5410m +5410m +5410m +5410m +5410m =5410m 其应力为： =m 5410m =面在 其侧面图如下图所示 25 1 2 3z z z I I 3 5 41 1 6 5 1 6 1 2 0 . . 0 0 5 1 0 322 2 0 8 0 1 2 8 0 2 0 3 5 =5410m 323 2 0 8 0 1 2 8 0 2 0 3 5 =5410m 1 2 3z z z I I =5410m +5410m +5410m =5410m 其应力为： =m 755410m =选材料为 45钢，其许用应力为 355 26 下图为转向节及主销计算简图。因主销无内倾角，故无须考虑。 转向节危险断面在轴颈根部： 计算方法与桥体类似，应分为两种工况进行。 越过不平路面时： 022 车轮中心至计算截面距离 计算结果为 022=24255N 2 55m 此处转向节臂的半径如图所示： =m (360 32) =为转向节臂的材料为铸钢，故其许用应力为 355附和要求。 侧滑时： A zi a s F rA zr a y s F r 车轮中心至计算截面距离 计算结果为： A r zi a y s F r=295m 27 A r zr a y s F r=55295m 22A A r A M 22( 4 3 2 0 . 3 6 ) ( 1 1 2 . 2 0 7 ) =m = m (360 32) =为转向节臂的材料为铸钢，故其许用应力为 355附和要求。 主销的计算 : 越过不平路面时： 022 gL u L d r u r d F 计算节果为： 022 gL u L d r u r d F =24255N 2 7616513965N 主销受力分析如图： 28 计算 M=13965N m 则其应力为： =m 3(30 ) 32 =434销为 2040合要求。 侧滑时： 2yi zi h F 29 1yi zi h F 2yr zr h F 1y ir h F 计算结果 为： 2yi zi h F =（ 80 165yi zi h F =（ 80 165yr zr h F =（ 24680 165y ir h F =（ 36480 165m 30 M=m =m 3(30 ) 32 =521销为 2040合要求。 主销和转向节间的轴承，不仅要 承受轴向力，还要承受较大的径向力，一般可选用一个止推轴承和两个径向滑动轴承，或两个滚针轴承。滑动轴承径向尺寸小，能承受较大的径向力，价格便宜。但转向阻力大，需要经常加注润滑油。 滚针轴承的径向尺寸较小，价格较贵，但转向阻力低，润滑时间间隔和使用寿命长。设计时应注意在滑动轴承的衬套和主销中开油槽和油孔。因转动速度低，滑动轴承注要按比验算。滚针轴承按所受最大径向载荷计算。 31 滚动轴承选用滚针轴承， 仅受径向力，可知其最不利时径向力为： F=取为 基本参数为，0C=33.8，0， e=F=210 ()60 210 ()60 106 31 0 1 4 0 0 0 0()6 0 1 0 2 6 0 1 5 . 7 6=求工作半年以上， t=24 365 2=4380h 符合要求。 止推轴承选用：选取为 8306，其基本参数为，0C=36.2，e=受轴向力，可知其最不利时径向力为： F=210 ()60 32 6210 ()60 106 31 0 1 6 6 8 0 0()6 0 1 0 3 0 3 1 8 . 7 5=求工作半年以上， t=24 365 2=4380h 符合要求。 叉车转向轮轮毂安装在一对圆锥滚珠轴承上，如图，圆锥滚子轴承可承受较大的轴向和径向载荷， 间隙可调，能保证一定的刚度。为了避免转向节轴颈根部产生应力集中，轴颈根部采用较大的圆角半径并附加一些垫圈，以确保内轴承的正确安装与传力。 轮毂轴承的使用寿命主要取决与作用在轮上的垂直力，和轴承相对于车轮中心平面的位置。轮毂轴承按额定动载荷选择。 轴承处的载荷仍需按转向桥的两种计算工况确定。轴承额定寿命，通常为叉车的一个大修期，可取为 4800 轴承选用： 2007108，其基本参数为： e=Y=2，0Y=承选用： 2007112，其基本参数为： 4e=Y=Y=1 最大垂直力工况： 可知在两轴承的支反力分别为如图 33 径向载荷： 10224255N 2 25 36=0224255 2 11 36=向载荷： 轴向载荷仅有轴承派生出的力： dF=2Y) 求出：1（ 2 2） =向向左。 2（ 2 =向向右。 无轴向力， 故方向向左，左处轴受压。右处轴放松； 当量动载荷 1P=134 2P=2算轴承寿命： 验算轴承 1得： 6210 ()60 106 31 0 1 3 0 8 0 0()6 0 1 8 0 8 4 2 1 . 8 7 5=算轴承 2