電動叉車驅動機構的設計改進

張 凱，蔣 超

（常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

叉車在現代物流生產過程中應用廣泛，常用的有內燃機叉車和電動叉車兩種類型.內燃機叉車功率大，同時排放和噪聲污染也較大；電動叉車具有噪聲小、無廢氣排放、能量轉換效率高等特點[1,2].由于受環保法規的制約和對環境污染危害認識的提高，低碳、環保已經成為人們的共識，因此，噪聲小、無廢氣排放的電動叉車將成為今后市場的主流.在發達國家，電動叉車所占比例達到60%，而我國電動叉車所占比例僅為20%左右[3,4].驅動系統是電動叉車的關鍵總成之一.叉車驅動系統在結構布置上存在差異，有單電機驅動的和雙電機驅動的；有電機軸與驅動橋為丁字型結構的和優化設計布置的.采用雙電機驅動的傳動系統，結構緊湊，體積較小，牽引力大，加速和爬坡性能好.目前國內在對叉車驅動輪結構的研究、分析方面取得了很大進展.本文用有限元分析方法對相應的零件進行分析，研究在一定條件下零件是否滿足設計要求.

1 驅動結構布置

電動叉車采用雙電機前輪驅動，分別通過左右對稱的兩個電機與齒輪機構來驅動左右兩個車輪.圖1是叉車的一個驅動機構簡圖.電機的輸出軸線與驅動輪的軸線平行，I級減速齒輪采用直齒輪外嚙合，II級減速直齒采用內嚙合方式，這樣可以使電機布置在驅動輪的中間位置.這種平行布置，結構緊湊.傳動過程如下：驅動電機1→主動輪2→從動輪3→齒輪軸4→叉車驅動輪5，叉車驅動輪與外齒圈相連接，帶動車輪轉動，達到驅動目的.圖2是單電機叉車的一個驅動簡圖，電機的扭矩分別分配到左右兩個驅動輪上.比較圖1與圖2可以看出：雙電機驅動的結構布置緊湊，占用空間小，傳遞扭矩較大.雙電機結構的齒輪機構可以布置在驅動輪轂內.

圖1 雙電機傳動簡圖

2 傳動機構設計

圖2 單電機傳動簡圖

2.1 根據電動叉車使用要求，確定設計要求及參數如表1所示.然后根據設計要求和參數進行關鍵零部件的設計.

2.2 齒輪軸的設計計算

此結構齒輪軸一端需通過鍵與齒輪連接，然后與電機的輸出端齒輪相嚙合，完成一級降速增扭的作用，而另一端通過端齒輪直接與鑲嵌在驅動輪的齒輪內嚙合，進一步降速增扭，使驅動機構滿足驅動力和運行速度的需求.齒輪軸的設計包括軸端直徑的設計和齒輪的設計.

齒輪軸材料選用40Cr.首先采用調質處理，然后在末端加工齒輪處做局部淬火、滲碳處理等熱處理工藝過程，用以滿足強度的需求.40Cr材料性能參數為σb=750MPa，σ-1=350MPa，τ-1=200MPa，σs=550MPa.

確定軸端直徑.首先根據電機輸入功率P和轉數n，按（1）式確定軸端直徑，再根據齒輪軸上是否有鍵槽等，將尺寸進行適當加大.

然后通過扭轉強度（2）式驗證（1）式確定的直徑是否滿足扭轉強度要求.

表1 設計參數要求

最后按彎矩合成強度計算軸承處直徑.根據載荷計算截面所受的彎矩M 和軸的轉矩T，然后根據（3）式計算軸承處的軸徑.

通過上面的計算，同時考慮到齒輪軸結構和整體結構尺寸的要求，取值為30mm.

2.3 齒輪設計計算

首先，選定齒輪類型為直尺圓柱齒輪、7級精度等級、高速級小齒輪40Cr（調質）材料，硬度280HBS、大齒輪為45鋼（調質），硬度240HBS，低速級齒輪材料是40Cr（調質）及根據傳動比i分別確定各個齒數.然后按齒面接觸強度設計[5]確定齒輪分度圓直徑

其中:Kt為載荷系數，取 Kt=1.3；T為齒輪傳遞扭矩，計算得T=4.0126×104N·mm；φd為齒寬系數，高速級φd=0.6，低速級φd=0.8；i為傳動比，ZE為材料彈性影響系數，[σH]為接觸疲勞允許應力.

其次，校正分度圓直徑

其中：K=KAKVKHαKHβ，KA為使用系數；KV為動載系數；KHα為齒間載荷分配系數；KHβ為齒向載荷分布系數.高速級齒輪副：小齒輪K=1.962，大齒輪K=2.742；低速級齒輪副：小齒輪K=2.625，大齒輪K=3.302.

然后，根據齒根彎曲強度計算齒輪的模數

其中：YFaYSa是齒形系數與校正系數的乘積，[σF]為彎曲疲勞評用應力.

通過上面的計算，高速級齒輪副的模數m=3；小齒輪的分度圓為d1=45mm，大齒輪的分度圓為d2=45mm；齒寬b1=27mm.低速級齒輪副的模數m=3.5；小齒輪的分度圓為d3=45.5mm，大齒輪的分度圓為d4=273mm；齒寬b2=36.4mm.

3 Solidworks環境下的有限元分析

COSMOSWorks是Solidworks環境下的有限元分析模塊.能夠實現對大規模復雜設計的分析和驗證，完成零件或者裝配體的靜力學分析、固有頻率和模態分析、失效分析等[6].

在Solidworks環境中設計完成幾何模型后，將三維模型導入到COSMOSWorks模塊中進行分析.分析模型一般需要有如下過程來完成：首先建立一個研究專題，定義材料屬性；然后模擬具體的工作環境對零件施加載荷和邊界約束條件；隨后是網格劃分和控制，網格劃分是將零件離散為無數個單元，高質量的網格劃分將得到精確的有限元結果；之后進行運算，輸出結果.

通過將齒輪軸導入到COSMOSWorks中，定義實際材料，增加約束，施加載荷，進行網格劃分，然后運算輸出有限元分析結果.表1示出了最大、最小應力和在空間中的位置，與圖3齒輪軸應力結果分析圖相對應；表2示出了最大、最小位移和在空間中的位置，與圖4靜態位移圖相對應.結果顯示，所設計的齒輪軸滿足要求.

4 驅動裝置

通過上述的設計過程與有限元分析，最終設計完成的驅動機構如圖4所示.車輪2與驅動電機1通過滾動軸承裝配，驅動電機軸端以鍵裝配主動齒輪3，從動齒輪4以鍵裝配齒輪軸5，齒輪軸5的另一端齒輪與鑲嵌在車輪2上的內齒圈8相嚙合.驅動電機1固定在車輪支架7上，齒輪軸5通過軸承裝配在車輪支架7上，最后裝配到叉車車體上.

表1 最大最小應力-位置

表2 最大最小位移-位置

圖3 應力圖

圖4 位移圖

圖5 驅動機構

5 結 論

叉車驅動輪的結構設計根據相應公式計算得出相應傳動齒輪和傳動軸的大小，此時，可根據力學的方法計算作出相應的彎矩、扭矩圖，這種方法的計算結果比較準確，但是計算過程復雜.按有限元方法只需要做出相應的結構模型，再進行約束、加載，得出相應的應力或位移圖，根據所得圖解數據與相應材料特性作比較，可以直觀地看出設計的零件是否滿足相應的參數要求，過程直觀，數據可靠.目前，復雜工程機械結構設計通常都要進行有限元分析，為對結構進行校核和優化提供依據.

[1]吳樂平.電動叉車單雙驅動比較[J].叉車技術，1995（2）：9-11.

[2]張莉，張占蒼.后輪驅動的1-1.5t三支點電動叉車[J].起重運輸機械，2005（1）：27-28.

[3]杜峰坡，穆希輝，張寶富，等.經濟型防爆電動叉車設計技術研究[J].機械設計與制造，2010（6）：24-26.

[4]陸剛.電動叉車的技術發展趨勢[J].物流技術與應用，2007（12）：90-92.

[5]吳宗澤.機械設計師手冊[M].北京：機械工業出版社，2009：951-985.

[6]胡仁喜，郭軍，王仁廣，等.Solidworks 2005中文版機械設計高級應用實例[M].北京：機械工業出版社，2005：177-180.