叉車轉向橋結構改進設計研究

楊豐先

摘要：叉車是一種常見的轉運車輛，主要用于成件托盤貨物的裝卸或貨物的短距離轉運等場景，在現代工業領域中具有十分廣泛的應用。液壓缸轉向橋是叉車上用于轉向功能的重要結構，其可靠性與壽命直接影響到叉車的整體性能。本文介紹了叉車轉向橋的結構與工作原理，分析了轉向液壓缸活塞桿的受力，通過建立數學模型研究了叉車轉向橋機構的優化設計。

Abstract： Forklift is a common handling equipment， mainly used for the loading and unloading of pieces of pallet goods or short distance transport of goods and other scenarios， in the field of modern industry has a very wide range of applications. Hydraulic cylinder steering bridge is an important structure for steering function in forklift truck. Its reliability and service life directly affect the overall performance of forklift truck. This paper introduces the structure and working principle of forklift steering bridge， analyzes the force of steering hydraulic cylinder piston rod， and studies the optimal design of forklift steering bridge mechanism by establishing mathematical model.

關鍵詞：轉向橋;可靠性;叉車;轉向液壓缸

Key words： steering bridge;reliability;forklift truck;steering hydraulic cylinder

中圖分類號：U442.5+8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0029-02

0? 引言

叉車常用于工廠倉庫的貨物轉運或快遞業的快遞場內轉運，轉向頻率十分高，因此轉向機構是叉車中的重要功能結構。合理的結構設計可以降低叉車轉向時輪胎的磨損量，提高轉向橋結構的可靠性與壽命。叉車轉向機構在使用過程中常見的失效形式常見于轉向節斷裂或轉向液壓缸接頭滲漏等，嚴重影響了叉車的性能與安全。因此，實施叉車轉向橋機構的優化設計，具有十分重要的現實價值。

1? 叉車轉向結構概述

1.1 轉向機構的結構與轉向流程

根據結構形式的不同，叉車轉向機構主要有八字式、交叉式以及雙曲柄滑塊式等形式，本文選取雙曲柄滑塊式的橫置液壓缸轉向橋為研究對象，進行結構與受力分析。

橫置液壓缸式轉向橋的結構主要包括轉向節、主銷、連桿、轉向橋體以及轉向輪等。叉車轉向時主要動作流程為：轉向液壓缸活塞桿往復運動→連桿運動→轉向節轉動→轉向輪轉動→轉向。轉角的控制是通過控制液壓缸活塞缸運動行程來實現的。

1.2 叉車轉向特性分析

若叉車在轉向時前后轉向輪偏轉角一致，會造成前后轉向橋車輪瞬間轉向中心不同，進而會導致叉車發生側滑，導致叉車輪胎磨損量顯著增大的同時還會造成轉向困難。因此，為了讓叉車在使用過程中平滑轉向，應保證前后輪圍繞同一個瞬時轉動中心運動。

叉車轉動內外轉角關系示意圖如圖1所示，轉向時O點為叉車前后輪共同的瞬時轉動中心，由阿克曼原理可得叉車前外輪與內輪的轉角符合如下公式（1）：

其中，α代表外輪轉角;β代表內輪轉角;L4代表兩個主銷中心之間的距離;L6代表軸距。

1.3 叉車轉向液壓缸活塞桿受力分析

轉向液壓缸活塞桿受力如圖2所示，叉車轉向時，轉向液壓缸活塞桿產生的推拉力需要大于車輪轉向所產生的阻力矩。空載情況下叉車原地轉向時的阻力矩較大，參照劉海賓與龐建中以及朱先民與宋健等人關于車輛轉向阻力矩的研究，得到叉車單側車輪轉向阻力矩滿足如下公式（2）：

其中，M代表單側車輪阻力矩;G代表單側車輪負載;f=0.025代表車輪與地面的摩擦系數;e代表車輪觸地中心到主銷之間的距離;η=0.8代表傳動效率;μ=0.6～0.7代表滑動摩擦系數;R代表車輪的靜力半徑。

叉車轉向過程中，在液壓缸活塞桿推拉作用下，連桿1克服轉向阻力矩大小為F1，連桿2克服轉向阻力矩大小為F2。液壓缸活塞桿產生的推拉力Fa1和Fa2可由如下公式（3）和公式（4）得到：

其中，b1代表推力臂，b2代表拉力臂;？茲1代表活塞桿與連桿1之間的角度，？茲2代表活塞桿與連桿2之間的角度。

2? 叉車轉向橋改進設計分析

在不背離阿克曼理論的基礎上，選擇以轉角誤差為約束條件，建立數學模型用來分析如何通過轉向橋設計優化來減小叉車轉向時液壓缸的推拉力。

2.1 確定設計變量

叉車轉向橋結構示意圖如圖3所示。

其中，L1代表轉向臂長，L2代表連桿長度，L3代表活塞桿長度，L5代表液壓缸偏心距。設改進設計前叉車車輪軸距為L6，主銷中心距為L4。進行轉向橋結構的設計改進時，必須保證運動過程中零部件不會出現干涉。

2.2 推導目標函數

由叉車轉向時液壓缸受力分析可知，轉向橋結構參數與車輪轉向阻力矩決定了液壓缸推拉力大小。叉車轉向時阻力矩基本保持不變，但隨著連桿與液壓缸活塞桿夾角的改變，轉向橋拉力臂與推力臂長度改變，因此叉車轉向時液壓缸推拉力是一個動態值。假定將叉車轉向過程分為100段，Fi為轉向液壓缸在100段過程中推拉力的和，Fi可由如下公式（5）得到：

通過優化叉車轉向橋結構設計，可求得各結構叉車轉向液壓缸推拉力最大值Fi，由此得到轉向液壓缸推拉力目標函數（6）：

2.3 約束條件

叉車轉向橋的結構形式、變量尺寸約束以及是否存在死點等因素都會影響到轉向橋轉角誤差，國內叉車產業中一些學者在設計叉車轉向橋結構時得到如下關于轉角誤差的結論：

①農琪，謝業東通過MATLAB建模認為，良好轉向機構能夠將轉角誤差控制在1°～2°范圍內，較小的轉角誤差能夠降低輪胎的磨損。②張德躍，韓繼峰提出分析叉車轉角誤差時通常采取設定外轉角值，分析叉車內轉角和理論轉角誤差大小的方法，需要保證叉車內轉角與理論轉角誤差小于5°。

綜合農琪與謝業東、張德躍與韓繼峰等人的研究，認為叉車外輪轉角誤差控制在不超過2°的范圍內為宜，因此確定轉角誤差約束條件如下公式（7）所示：

其中，α1表示叉車外輪轉角α的理論值，α2表示叉車外輪轉角α的計算值。

3? 結論

綜上所述，本文通過分析叉車轉向橋結構參數與受力，確定了叉車轉向橋改進設計的目標函數與約束條件，分析了叉車轉向橋結構改進設計的過程。在驗證轉向橋結構改進設計的效果時，可以結合MATLAB仿真來對比改進后轉向機構轉向性能的變化以及轉向時的能耗情況。

參考文獻：

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