基于Solidworks的小型電瓶叉車創新設計研究*

趙金廣

(江蘇聯合職業技術學院無錫交通分院，江蘇無錫 214046)

0 引言

近年來，三維軟件在企業研發過程中得到廣泛應用，不僅有效解決一些關鍵結構技術改造難題，而且相比人員手工設計可以大幅度地提高設計效率、縮短產品的制造裝配周期，從而滿足了客戶對新產品的急需;作為自行式裝卸搬運機械的叉車在物流行業中多用于裝卸堆放貨物，它的重要工作裝置是門架與貨叉;隨著科技的發展和工業設計的發展，人們在對叉車的功能和靈活上提出了更高的要求。本文應用三維軟件Solidworks對叉車進行了三維建模、虛擬裝配和產品性能研發。

1 研究現狀

近年來，隨著物流業的迅猛發展，我國叉車的需求量越來越大，叉車生產和銷售都在世界的前列，但是叉車市場競爭日趨加劇，我國還不是叉車的制造強國，所以我國叉車企業在面對機遇和挑戰的同時更要努力加快自身的技術轉型升級，未來叉車發展技術趨勢［1］。

(1)節能降耗的輕量化設計將是叉車設計的重要準則之一。

(2)具有特殊用途的專用叉車將會被不斷開發。

(3)為了避免門架對駕駛員的遮擋，通過駕駛室旋轉或其它方式實現司機的正向行駛的特殊叉車，有可能被開發出來。

我國對叉車結構的設計也積累了一些經驗，同時，CAE仿真技術的應用改變了傳統的設計方法和流程，使工程師能在設計階段就采取優化方法，解決許多問題，這樣就能縮短開發時間和成本。盡管如此，與國外的叉車車身結構分析相比，國內企業還存在著許多不足［2］，如車身主體結構的開發主要依賴經驗，或者對進口結構進行簡單修改。結構動力學修改主要用來解決樣車試驗后遇到的問題，設計與分析未能真正做到并行，這樣在后期改進中遇到的問題很可能需要大量修改原有設計，無形中加大了產品的設計周期與成本。

通過調研，走訪了無錫市幾家輕工企業了解到，在作業過程中叉車存在下坡翻車、倒車撞人、損壞貨物等安全問題;以內燃機為動力的叉車最大的不足之處就是排放和噪聲污染嚴重，危害人類健康。而小型電瓶叉車:它體積小、重量輕、結構緊湊、噪音低、污染小、造價低、操作靈活，可以在工作場地狹小的空間作業，受到廣大客戶的歡迎。

2 參數化建模及產品虛擬裝配

在傳統的三維產品造型設計中，一般利用固定的尺寸進行產品實體造型，這樣做的缺點，就是其中某一個零件尺寸發生變化，相對應的幾何模型要重新繪制。如果利用參數化建模不僅可以彌補這一缺點使圖形的修改變得方便的多，而且可以使用參數快速構造提高設計效率。利用Solidworks軟件對叉車零部件進行參數化建模，設計的電瓶叉車主要結構:車體、起升機構和駕駛室、驅動、液壓系統、制動系統等。

虛擬裝配是進行產品的三維設計中關鍵的環節之一，首先進行零部件三維造型建模，然后裝配、干涉分析等協調設計，最后修改實現產品的優化處理，完成產品模型的最終設計，其具體流程如圖1所示。利用Solidworks軟件功能，進行裝配零件之間的動、靜態干涉檢查，目的是找出設計缺陷，及時調整與修改設計圖紙，從而可縮短產品制造與裝配生產過程時間，降低產品裝配成本［3］。

圖1 叉車虛擬裝配的設計過程

借鑒目前叉車特點，基于Solidworks軟件設計出了一款輕便、靈活、環保、多功能叉車，總體設計三維裝配造型圖及工程圖，分別見圖2與3。

圖2 叉車三維造型圖

3 叉車的創新結構設計

(1)特點1:車體部分可以360°旋轉(圖4)。

為了更好的提高工作效率，車體上部分設計為可以360°旋轉，借鑒坦克炮塔的旋轉方式進行設計。叉車主體的上下連接體之間利用滾動軸承，以便上體旋轉，上體伸入下體的部分裝有一個比上體座圈粗的圓環，使上體牢固附著在車體上，內部利用旋轉馬達驅動，鑒于行星齒輪傳動的主要特點是體積小，承載能力大，工作平穩，所以采用行星齒輪傳動。

圖3 叉車二維工程圖

圖4 旋轉裝置

(2)特點2:多功能可更換機械手設計。

叉車屬具是相當于掛裝在叉車上的機械手，使叉車成為一種多用途高效率的物料搬運工具，能對幾乎任何可以想象到的搬運對象進行叉、夾、推、拉、側移和旋轉等作業，從而提高物流效率，降低生產成本，避免產品破損，節省倉儲空間;為了滿足多功能需要，我們設計出可更換機械手功能，見圖5(a)適用于那些稍大一些的圓形貨物，如卷紙，油桶等。圖5(b)適用于搬運容易掉落的圓長型貨物，如一堆鋼管，卷絲。圖5(c)適用于推、或者裝一些較重、散狀的貨物。

圖5 貨叉

(3)特點3:無配重及電瓶驅動設計。

相對于傳統叉車，我們增加了液壓地腳支撐(見圖6)，省去了傳統的配重設計，從而減少了對車體的負荷，節省了能源消耗。

電動叉車動力源以鉛酸蓄電池等為主，相對于內燃叉車它具有低噪聲、低維修成本的優勢，所以在一些西歐發達國家很受重視，電動叉車所占的比例達到50%左右。因此電動叉車越來越受到用戶的青睞［4］。本款叉車的動力裝置是由蓄電池－AC電動機組成的。其中蓄電池采用高容量24 V蓄電池(240－420 Ah)。

圖6 液壓地腳支撐

4 關鍵部件的有限元分析

在液壓傳動系統中，液壓缸是很重要的部件之一，必須對其強度和剛度進行校核［5］，是因為液壓缸的動作可靠性的高低直接關系到液壓系統工作性能優劣，缸體在高壓環境工作時，必須能承受多種載荷(拉力、壓力、沖擊)作用，因此對支撐腳液壓缸厚壁缸筒進行有限元分析，驗證在限定載荷下設計其剛度情況，取液壓地腳頂部載荷重量取2 T，底座底面為固定約束，液壓缸厚壁缸筒內壁承受壓力6.3e7 Pa，可取圓筒進行有限元分析，厚壁缸筒材料屬性:45鋼:彈性模量取E=210 GPa，泊松比u=0.269，密度7 890 kg/m3，抗拉強度取600 MPa，屈服強度取 355 MPa。計算結果如圖7。

圖7 Von Mises應力分布

通過圖7可看出Von Mises應力分布情況，在分析過程中的最大變形量為418E－03 m，最大的應力為994E+08 Pa，最小應力為257E+09 Pa。應力在內表面較大，所以在生產中應加強內表面材料的強度。

圖8表示分別缸壁沿軸向、徑向靜力分析情況，圖中橫軸為徑向尺寸(m)，縱軸為應力(Pa)，橫軸的零點對應著缸筒的內徑徑向切應力和切向應力最大值分別為193 MPa、62.7 MPa。結果表明，都在需用應力范圍內，剛度足夠。

圖8 分別沿軸向、徑向靜力分析情況

5 結語

通過本文對叉車的外形及內部結構的創新設計及虛擬裝配，從安全性、靈活性、多功能性進行了分析，另外介紹了對叉車關鍵部件進行了工程分析驗證。研究結果，為進一步優化產品提供了理論依據，同時能夠縮短新產品研發周期，降低研發成本，提高企業市場的競爭力。

［1］ 雷曉衛.我國叉車行業發展狀況分析和趨勢展望［J］.物流技術與應用，2014(4):108－109.

［2］ 許 暢.叉車主體結構模態分析與減振設計［D］.杭州:中國計量學院，2012.

［3］ 王學軍.基于3D的鼓風機參數化設計及其虛擬裝配設計［J］.機械設計與制造，2003(4):10.

［4］ 楊 敏.燃料電池叉車的最新發展應用［J］.叉車技術，2013(4):1－2.

［5］ 陳保倫.液壓操動機構設計［J］.電氣制造，2009(4):48－54.