平衡重式电动叉车设计.docx
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平衡重式电动叉车设计
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Ⅱ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MＯSFET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3DCAD/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（NewEdge）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A·h，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1～2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=
=375A·h（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400A·h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/（3600ηt）=0.02（3400+2000）×12×9.8/（3600×0.86）=4.1KW（2.3）
Pe=（1.5～2）Pm=2×4.1=8.2KW（2.4）
所以电动机取10KW的XQ-10：
Temax=9549×αPemax/N额=9549×1.2×10/1200=95.49（Nm）（2.5）
传动比确定：
Umax=0.377rn/IminIo→Io=0.377rn额/βIminUmax0.377×0.59/2×1200/（1.1×0.8×12）（β=1.1）
Igmax=（G+Q）（αmax+f）r/TemaxIoηt=9.8×（3400+2000）（0.18+0.02）×0.59/2/95.49×12.×0.86=3（0.7〈Igmin〈0.8取Igmin=0.8）
F-滚动阻力系数，f=0.02
G+Q-满载叉车总重（N）
Vmax-满载最大车速，一般为10～15KM/H
Ηt-传动效率，可取0.85～0.90
功率Pe=（1.5～2）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-10
10（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
60min
135kg
2000（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
a
B
H1
H2
H3
M1
M2
C1
C2
K1
K2
e
q
0.5~
0.75
400
A
76
331
394
307
305
28
26
17.5
16
14
13
16
8
B
114
432
1~2.5
500
A
76
407
470
383
381
31
29
17.5
16
14
13
16
8
B
152
546
2.7~4.75
500
A
76
508
568
478
476
40
38
23
21.5
17
16
19
10
B
203
695
5~6.3
600
A
127
635
743
599
597
47
45
27
21.5
20
19
19
12
B
254
870
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=546mm
h2=383mm
h3=381mm
M1=31mm
M2=29mm
C1=17.5mm
C2=16mm
K1=14mm
K2=13mm
e=16mm
q=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δw=Mmax/W=PC/a2b/6=0.kg/mm
P=Q/2=1000kg
轴向应力：
δ1=P/F=P/ab=1000/152×407=0.kg/mm，δmax=δw+δ1≤[δ]=δs/n=0.
货叉的刚度计算：
叉尖的饶度为：
fz=pcl/Ei[c/l（3l-c）+6e+2h]小于[f]
[f]=l/50=21，P=Q/2=1000kg，I=a3b/12=152×152×152×407/12=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Pro／E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。
Pro／E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-
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