叉车转向机构优化设计

叉车转向机构优化设计

林青云1周小灵2

1.丽水市特种设备检测院浙江丽水323000；2.丽水市人民医院浙江丽水323000

摘要：叉车是物料搬运的重要机械，是实现高效生产的保障。随着传统能源的逐渐匮乏和环保意识的增强，电动叉车的使用正在变得越来越普及。但是，电动叉车因其结构的限制，具有自重大、电池布置不合理、转向不灵活以及转向助力方式落后的缺点。本文分析了电动平衡重式叉车转向机构的设计思路和设计方法。

关键词：电动平衡重式叉车；转向机构；设计方法

叉车是在工厂、车间、仓库或工地完成叉取、铲运、堆垛等作业的一种工程车辆，具有直线行驶较少而转向频率较高的作业特点。转向机构是叉车的关键部件，其结构和尺寸对叉车的转向性能以及转向桥的可靠性有着重要影响。相较于传统叉车而言，电动叉车有着节能环保的特点，但其转向结构也存在着一定缺陷，当前国内电动平衡重式叉车的转向系统为传统的机械液压转向助力系统，其有着能耗高、转弯半径大、效率低等缺点。

一、概述

电叉车转向机构现在普遍采用横置液压缸式转向机构，这种结构具有形式简单、机构紧凑、布置方便和偏转角大等优点。但是在转向机构设计过程中会遇到一些难题，比如车轮转角误差过大会影响轮胎磨损、油缸径向力大会导致油缸漏油、油缸行程大会引起机构干涉和油缸布置困难、转向油缸推力要求大则导致转向操作的灵敏性差等问题，并且这些问题之间会相互牵制与制约，很难同时实现的最优设计，因此优化设计方法需要被引入到叉车转向机构的设计过程中。

二、电动平衡重式叉车转向机构设计思路

电动平衡重式叉车采用了电池组替代平衡重的方法，有效降低了叉车的重量，但为了确保叉车在工作过程中的平衡性，不得不增大叉车的轴距，从而增大了叉车的转弯半径，降低了车辆的灵活性，电动平衡重式叉车转向机构的设计思路如下，旨在为解决电动平衡重式叉车灵活性差的问题提供参考。

1、独立悬架结构。叉车的前端是其工作装置，因此在工作的过程中叉车前轮负荷较大，通常采用以后桥作为转向桥的方式来降低转向的阻力矩，提升叉车的轻便性。转向桥的主要功能是连接车架和车轮，其也被称为悬架系统。叉车悬架系统的应用对于叉车在行进过程中的稳定性以及平顺性有着重要的影响。对于三支点电动平衡重式叉车而言，其只有一个转向轮，因此其轮架能够与车架直接相连。四支点电动平衡重式叉车采用的则是刚性悬架机构，叉车的转向轮与转向桥之间刚性连接，转向桥中没有弹性元件，直接与车轮支座铰接进行连接。这种悬架结构一旦遇到路面不平整则会将冲击传给车体，从而引发叉车车体的振动，运动性能不好。

电动平衡重式叉车转向机构的悬架结构为独立悬架结构，其与四支点电动平衡重式叉车的刚性悬架结构有着明显的区别，独立悬架机构中叉车的每一个车轮都能够单独悬挂在车架上，同时转向机构中加入了用以传递荷载的平衡装置，两个车轮是相互独立互不影响的。独立悬挂结构中没有连接车轮的梁装置，从而不会承受车轮所带来的荷载，叉车的两个轮架会承担叉车的荷载，即使遇到不平整的路面，车轮所受到的振动会直接传递给独立悬架结构的扭杆上，从而不影响另外的车轮，因此，独立悬架结构能够保证叉车的平稳性。

2、双梯形转向机构

相较于传统的液压助力转向系统，电动助力转向系统的结构简单、占据空间小、布置相对方便、转向性能好且具有较好的环保性能，因此，电动平衡重式叉车通常使用电动助力转向系统。就目前来看，当前大部分电动平衡重式叉车采用的是单梯形转向机构，单梯形转向机构结构设计相对简单，但在转向过程中，叉车所能够达到的转角极限较小，这就限制了电动平衡重式叉车的使用性能，相较于单梯形转向机构来说，双梯形转向机构在结构上相对复杂，但其贵在稳定性好，且采用双梯形转向机构的叉车极限转角能够达到100°甚至以上，从而有效提升了电动平衡重式叉车的转向性能。因此研究双梯形电动平衡重式叉车转向机构。此外，由于电动平衡重式叉车驱动机构的齿轮齿条结构简单，且有着较好的稳定性，因此本文采用齿轮齿条作为电动平衡重式叉车驱动机构的传动方式。

三、电动平衡重式叉车转向机构设计方法

1、设计原则。电动平衡重式叉车转向机构设计的设计原则主要有以下三点：①转向机构的设计要注重前轮以及后轮的关系，保证其在行使过程中的各个时刻前轮和后轮保持最优关系；②为了提升电动平衡重式叉车的稳定性和高效性，对转向机构的设计提出了更高的要求，电动平衡重式叉车转向机构要与叉车整个布置的情况相互匹配，要符合叉车的布置状况要求；③为了保证电动平衡重式叉车转向机构便于安装和维修，在设计的过程中，满足设计要求的基础上要尽量选择可拆卸、质量轻且容易制造的零部件。

2、设计方法

在进行设计之前，应当积极了解电动平衡重式叉车转向机构的设计原理，查阅相关文献资料对比设计条件，从而确定设计目标，之后根据设计目标选择与之相匹配的电动平衡重式叉车转向连杆机构，并对所选择的连杆机构深入分析，确定机构中的各项设计参数以及各项参数之间的函数关系，根据之前设定的设计目标对函数关系进行优化。

在确定参数之间函数关系以及优化函数关系之后，利用先进的计算机设计软件对函数进行进一步优化和求解，得出具体的参数结果，确定连杆机构的尺寸，之后对整个连杆机构的设计进行力学分析，使其符合力学原理，并对减速箱以及电机进行设计和选择。

在计算机的虚拟仿真软件中建立三维的电动平衡重式叉车模型，在建立模型的过程中要注意整个叉车空间的布置，模型建立完成后要进行干涉检验，针对出现的问题不断修改完善模型，之后在虚拟状态下对虚拟设计电动平衡重式叉车装箱机构的转向性能进行检验，得出其最大转角以及误差，确保其符合设计目标的转角需求和误差要求。如果转向性能不能满足误差要求和转向需求则需要继续优化模型，如果符合要求则进行转向机构模型的有限元分析和动力学仿真分析。

进行转向机构的装配和检验，在检验合格之后进行有限元分析，有限元分析的主要对象是各个零部件，其主要目的是找出零部件的疲劳强度及手里强度等敏感参数。有限元分析之后进行电动平衡重式叉车的动力学仿真分析，确保叉车的灵活性和稳定性，之后进行模型的实物制造，从而完成整个设计。

3、实例分析叉车横向稳定性。工程实例叉车横向倾覆的临界情况，在惯性力P的作用下，叉车绕着横向倾覆轴线OB向左侧倾翻。图中A、B点分别为叉车两前轮的接地点，O点为转向桥与车架的铰接点，O点在水平平面上的投影，平面ABO为水平平面，横向倾翻轴线OB与该平面的夹角为α，O点与叉车前轴中点的连线OQ与平面ABO的夹角为β，平面OBO垂直于水平平面，此时的合成重心在图中的M点，该点处共受到叉车的总重力以及惯性力，过合成重心M点做一个与平面OBO平行的平面，此时，合成重力定作用在这个平面内。将合成重力分解成在这个平面内的沿着两个不同方向的分力，平行于倾覆轴线OB，所以相对于OB没有力矩的作用，与横向倾覆轴线OB异面垂直，为叉车提供一个相对与横向倾覆轴线OB的稳定力矩，力臂为两个平面间的距离，所以可推导出横向稳定力。

分析了电动平衡重式叉车的设计思路，主要有独立悬架结构和双梯形转向机构，研究了电动平衡重式叉车的设计原则和设计方法，旨在为优化电动平衡重式叉车转向机构的性能做出贡献。

参考文献：

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