叉車轉向橋體強度新工況受力分析

摘要：根據某叉車轉向橋斷裂的反饋進行分析，判斷橋體斷裂可能原因。建立轉向橋限位塊沖擊工況力學模型，并通過CAE分析對比與現有工況力學模型的差異，完善轉向橋體的受力工況模型，并通過改變限位塊位置來改善橋體受力情況，以達到提升轉向橋可靠性的目的。

關鍵詞：轉向橋;受力工況;限位塊沖擊;CAE分析

0" "概述

叉車是在工廠、車間、倉庫或工地完成叉取、鏟運、堆垛等作業的一種工程車輛，具有直線行駛較少、轉向頻率較高的作業特點。轉向橋是叉車的關鍵部件，一般通過緩沖墊或軸承座連接到車架后部尾架上。

叉車一般采用后輪轉向，其作用主要包括：承擔叉車的后部質量，叉車空載為后橋負載為整車質量的55%～60%[1];行駛時，道路對叉車后輪產生各種作用力和力矩，并且吸收振動和沖擊;將車架傳來的垂直力、縱向力或橫向力傳給轉向輪，以保證叉車能夠正常行駛或轉向;當車輪通過不平的路面時，轉向橋繞中間軸回轉，車輪隨路面高低情況而上下擺動，避免車體受路邊影響傾斜。

轉向橋在叉車作業中發揮著重要作用，且橋體受力情況復雜。本文針對某型叉車的后橋斷裂問題進行分析，并針對一種新的工況進行受力分析，以達到提升轉向橋可靠性的目的。

1" "現有分析工況

轉向橋的受力簡圖如圖1所示。叉車在路面上行駛時，作用在左、右轉向車輪上的垂直反作用力T₁、T₂可按式（1）計算。叉車空載通過不平路面時引起的動載荷，使垂直反力達到最大值，其值與道路不平度、輪胎彈性及行駛速度有關[2]。

此時地面對轉向輪的垂直反作用力F₁、F₂可按式（2）計算。式（2）中：δ為動載系數，一般可取3。此種工況分析我們稱之為三倍橋負載工況，CAE分析時以橋體旋轉中心為固定點，然后在輪胎中心施加F₁、F₂。

T₁=T₂=G_后/2 （1）

F₁=F₂=δ·G_后/2 （2）

2" "叉車轉向橋斷裂原因分析

某叉車在客戶使用后發生后橋斷裂，如圖2所示。針對此情況我們按照現有三倍橋負載工況進行橋體受力分析，后橋負載為3100kg，F₁、F₂為4650kg。將橋體旋轉點作為固定點，通過CAE分析軟件進行分析，得到橋體應力結果如圖3所示。

目前該橋體為鑄造橋體，使用的材質為綜合力學性能較高的QT450-10。該材質的抗拉強度為450MPa，屈服強度為310MPa，許用應力為250MPa。從圖3分析結果可以看出，斷裂處應力僅為56MPa。對返回橋體進行材質分析，金相組織、化學成分及本體硬度均達標，由此證明正常使用工況該橋體不會發生斷裂，需判斷是否為別的原因造成橋體斷裂。

3" "限位塊沖擊工況與分析

目前平衡重式叉車后橋為鉸接結構，此種轉向橋可沿著鉸接點進行擺動，以保證叉車在不平路面上行駛時，車輪全部著地。轉向橋的擺動范圍由橋體上方的限位塊限制，以避免橋體擺動過大，造成行駛搖晃、橋體與車體干涉的問題。根據圖3的應力結果和圖2的斷裂位置，懷疑為橋體受單邊沖擊后，橋體擺動到限位塊的位置，并與限位塊發生沖擊，對橋體帶來較大沖擊，造成橋體此位置斷裂。

3.1" "限位塊沖擊工況

針對限位塊沖擊工況，假設為右邊輪子受到沖擊，橋體右上撞擊限位塊。建立受力分析工況模型如圖4所示。后輪距B為980mm，限位塊中心距離橋中心距離L為240mm。

根據圖4受力工況模型，左側輪胎為支點，右側輪胎受到沖擊力F'₂為3倍該輪胎負載，計算公式如式（3）所示。通過力矩平衡可得出，右側輪胎受到沖擊力F'₂所產生的力矩，等于限位塊對橋體的沖擊力F'_限所產生的力矩和后橋負載G_后所產生的力矩之和。由此求出限位塊的沖擊力F'限，計算公式為式（4）。

F'₂= δ·G_后/2=4650kg （3）

F'_限=（ F'₂·B-G_后·B/2）/（B/2+L）=4160kg （4）

完成橋體限位塊沖擊工況的分析及受力計算后，以支點為固定點，后側輪胎處施加沖擊力F'2，橋體旋轉點施加后橋負載G后，在橋體與限位塊接觸面施加沖擊力F'限。通過CAE分析軟件進行分析，得出應力分析結果如圖5所示。由圖5可以看出，使用限位塊沖擊工況，斷裂點的應力值提升了一倍。由此判斷，反饋橋體此處斷裂存在單邊輪受到沖擊的可能。

3.2" "受力情況改善

通過新增限位塊沖擊工況，橋體在完成CAE分析后，可發現新的薄弱點。據此可對橋體進行改進設計。同樣由于此工況受力是來源于限位塊帶來的沖擊，我們也可以嘗試不改變橋體，對限位塊的位置進行調整，從而進一步減少沖擊力。這樣可避免橋體設計參數裕量過大，增加橋體成本。

通過式（4）可知，限位塊對橋體的沖擊力大小與限位塊距離車體中心的距離L成反比。根據此橋體結構限制情況，將L從240mm提升至410mm，則橋體的沖擊力F''_限可按照式（5）計算。

F''_限=（F'₂·B-G_后·B/2）/（B/2+L）=3375kg （5）

由此可見，不改變橋體的結構，可通過限位塊的位置調整，減少對橋體的限位塊沖擊力。將限位塊中心位置由240mm外擴至410mm，可減少19%的沖擊力。

4" "結論

本文根據某叉車轉向橋斷裂的反饋進行分析，判斷橋體斷裂可能。建立轉向橋限位塊沖擊工況力學模型，并通過CAE分析對比與現有工況力學模型的差異，完善轉向橋體的受力工況模型，并通過改變限位塊位置來改善橋體受力情況，以達到提升轉向橋可靠性的目的。目前該方案已經被廣泛采用，未再接到過轉向橋斷裂反饋。從中可以得到結論：

針對轉向橋受力分析，新增一種轉向輪單邊受沖擊并撞擊限位塊的工況，通過針對此工況分析，可發現橋體的薄弱環節。沖擊工況中，可通過優化其基礎受力模型來降低整個機構的受力情況。擴大限位塊距離橋體中心的距離，可使得發生單邊沖擊時，橋體所受到的限位塊沖擊力降低，整個轉向橋的可靠性得到進一步提升。

參考文獻

[1] 陶元芳，衛良保.叉車構造與設計[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2] 陸植.叉車設計[M].北京：機械工業出版社，1991.